电力电子技术PPT-西南交通大学郭小舟版第1章 前言和元件
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电力电子技术概述PPT课件
电力电子技术概述PPT课件•电力电子技术基本概念•电力电子器件•电力电子变换技术•电力电子系统分析与设计•典型应用案例剖析•发展趋势与挑战01电力电子技术基本概念它涉及到电力、电子、控制等多个领域，是现代电力工业的重要组成部分。
电力电子技术的核心是对电能进行高效、可靠、可控的转换，以满足各种用电设备的需求。
电力电子技术是一门研究利用半导体器件对电能进行转换和控制的学科。
电力电子技术定义从早期的整流器、逆变器到现在的高频开关电源、智能电网等，电力电子技术经历了多个发展阶段。
发展历程目前，电力电子技术已经广泛应用于工业、交通、通信、家电等各个领域，成为现代社会不可或缺的一部分。
现状随着新能源、智能电网等技术的不断发展，电力电子技术的应用前景将更加广阔。
未来趋势发展历程及现状工业领域电机驱动、电力系统自动化、工业加热等。
电动汽车、高速铁路、航空航天等。
通信电源、数据中心、云计算等。
变频空调、LED照明、智能家居等。
随着新能源技术的不断发展，电力电子技术在太阳能、风能等领域的应用将更加广泛；同时，智能电网的建设也将为电力电子技术的发展提供新的机遇。
交通领域家电领域前景展望通信领域应用领域与前景02电力电子器件电力二极管（Power Diode）结构简单，工作可靠导通和关断不可控主要用于整流电路晶闸管（Thyristor）四层半导体结构，三个电极导通可控，关断不可控主要用于相控整流电路可关断晶闸管（GTO）通过门极负脉冲可使其关断关断时间较长，需要较大的关断电流主要用于大容量场合电力晶体管（GTR）电流驱动的双极型晶体管导通和关断可控，但驱动电路复杂主要用于中等容量场合电力场效应晶体管（Power MOSFET ）电压驱动的单极型晶体管导通电阻小，开关速度快01主要用于中小容量场合02绝缘栅双极型晶体管（IGBT）03结合了MOSFET和GTR的优点01电压驱动，大电流容量，快速开关02目前应用最广泛的电力电子器件之一03电力电子变换技术整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用将交流电转换为直流电。
电力电子技术说课稿PPT课件精选全文
《电力电子技术》说课
说课内容
1 课程性质与作用
2 课程整体设计
3
教学内容
4 教学方法与手段
2
课程性质与作用
课程性质
自动化专业基 础课
针对岗位
企业生产第一线 产品装配、调试、 检验、维修、生 产管理、产品后 服务岗位
能力培养
识别电力电子器件 能力 掌握器件使用与保 护技术 相控整流电路分析 能力 单相相控整流电路 设计安装能力 故障排除能力
24
教学内容
教材
❖ 主教材：《电力电子技术》黄家善主编
机械工业出版社， 2005年1月第二版；
❖ 教学辅助教材：《电力电子器件及其应用》，李序葆.赵永健编， 机械工业出版社，2004年6月
动化系编
《可控整流装置》北京电机修理厂、清华大学自
科学出版社， 1971年6月
25
教学方法与手段
多媒体教学
课堂板书讲解
9
课程整体设计
课程教学实施思路： ❖ 理论教学主要结合在项目实验中进行。 ❖ 课程的教学以项目作为核心实例带动知识点讲授，
每一个项目分解为若干个工作任务，通过每一个工 作任务使学生掌握必要的理论知识和技能。 ❖ 大部分内容在实验室中进行理论实践一体化教学， 可先讲再实践，或先实践再分析理论知识，或边讲 边练，讲练结合，工学交替，理论教学与实践教学 同步进行。
“设计实验”根据敖教与学的客观实际并结会现有条件设计 一实用电路，以实现简单的调压或调速。
6
课程整体设计
项目设计（课程设计）
❖ 在项目实训中鼓励学生将课外活动或生活见到的 应用纳入教学设计活动中来，课内外学习相互结 合，使学生视野开阔、能力增强。
7
课程整体设计
说课内容
1 课程性质与作用
2 课程整体设计
3
教学内容
4 教学方法与手段
2
课程性质与作用
课程性质
自动化专业基 础课
针对岗位
企业生产第一线 产品装配、调试、 检验、维修、生 产管理、产品后 服务岗位
能力培养
识别电力电子器件 能力 掌握器件使用与保 护技术 相控整流电路分析 能力 单相相控整流电路 设计安装能力 故障排除能力
24
教学内容
教材
❖ 主教材：《电力电子技术》黄家善主编
机械工业出版社， 2005年1月第二版；
❖ 教学辅助教材：《电力电子器件及其应用》，李序葆.赵永健编， 机械工业出版社，2004年6月
动化系编
《可控整流装置》北京电机修理厂、清华大学自
科学出版社， 1971年6月
25
教学方法与手段
多媒体教学
课堂板书讲解
9
课程整体设计
课程教学实施思路： ❖ 理论教学主要结合在项目实验中进行。 ❖ 课程的教学以项目作为核心实例带动知识点讲授，
每一个项目分解为若干个工作任务，通过每一个工 作任务使学生掌握必要的理论知识和技能。 ❖ 大部分内容在实验室中进行理论实践一体化教学， 可先讲再实践，或先实践再分析理论知识，或边讲 边练，讲练结合，工学交替，理论教学与实践教学 同步进行。
“设计实验”根据敖教与学的客观实际并结会现有条件设计 一实用电路，以实现简单的调压或调速。
6
课程整体设计
项目设计（课程设计）
❖ 在项目实训中鼓励学生将课外活动或生活见到的 应用纳入教学设计活动中来，课内外学习相互结 合，使学生视野开阔、能力增强。
7
课程整体设计
《电力电子技术》 ppt课件
电力电子技术
《电力电子技术》
电力电子技术
《电力电子技术》
引言 电力电子器件 电力电子电路 脉宽调制（PWM）技术和软开关技术
第2页
电力电子技术
《电力电子技术》
➢ 什么是电力电子技术？ ➢ 电力电子技术的发展史 ➢ 电力电子技术的应用
第3页
电力电子技术
《电力电子技术》
➢ 电子技术: 信息电子技术 电力电子技术
电力电子技术
IGBT的结构（显示图）
– 图a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT
（N-IGBT）。 – IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面
积的P+N结J1。 – ——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从
而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流 能力。 – 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林 顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 – RN为晶体管基区内的调制电阻。
第17页
电力电子技术
《电力电子技术》
1.不可控器件——电力二极管
2.半控型器件——晶闸管 3. 典型全控型器件
（1）门极可关断晶闸管 （2）电力晶体管 （3）电力场效应晶体管 （4）绝缘栅双极晶体管
★
第18页
电力电子技术
《电力电子技术》
1. IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
➢ 全控型器件（复合型器件）
80年代后期开始，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代 表的全控型器件因驱动功率小、开关速度快、载流能力大等得 到迅猛的发展。
★
第10页
电力电子技术
《电力电子技术》
电力电子技术
《电力电子技术》
引言 电力电子器件 电力电子电路 脉宽调制（PWM）技术和软开关技术
第2页
电力电子技术
《电力电子技术》
➢ 什么是电力电子技术？ ➢ 电力电子技术的发展史 ➢ 电力电子技术的应用
第3页
电力电子技术
《电力电子技术》
➢ 电子技术: 信息电子技术 电力电子技术
电力电子技术
IGBT的结构（显示图）
– 图a—N沟道VDMOSFET与GTR组合——N沟道IGBT
（N-IGBT）。 – IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面
积的P+N结J1。 – ——使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从
而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流 能力。 – 简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林 顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。 – RN为晶体管基区内的调制电阻。
第17页
电力电子技术
《电力电子技术》
1.不可控器件——电力二极管
2.半控型器件——晶闸管 3. 典型全控型器件
（1）门极可关断晶闸管 （2）电力晶体管 （3）电力场效应晶体管 （4）绝缘栅双极晶体管
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第18页
电力电子技术
《电力电子技术》
1. IGBT的结构和工作原理
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
➢ 全控型器件（复合型器件）
80年代后期开始，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代 表的全控型器件因驱动功率小、开关速度快、载流能力大等得 到迅猛的发展。
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第10页
电力电子技术
电力电子技术(完整幻灯片PPT
1-3
2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
电力电子技术(完整幻灯片 PPT
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2.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗
开通损耗 关断损耗
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
1-4
2.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路
恢复特性的软度：下降时间与
延复迟系时数间，用的S比r表值示tf。/td，或称恢uFFra bibliotek2V0
b) tfr
t
图2-6 电力二极管的动态过程波形
a) 正向偏置转换为反向偏置
b) 零偏置转换为正向偏置
1-17
2.2.2 电力二极管的基本特性
关断过程
IF
diF
dt
trr
须经过一段短暂的时间才能重新获 UF
td
A
G
KK
A A
G
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
K G
A
a)
b)
c)
图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。
四层三结三极。
螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。
平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
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西交大-电力电子技术ppt5.5版_第1章
7/21
1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和电力学
电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电 子学和电力学的主要关系。“电力学”这个术语 在我国已不太应用，可用“电工科学”或“电气 工程”取代之。 各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静 止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、 电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中， 因此无论是国内国外，通常都把电力电子技术归 属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学 科中的一个最为活跃的分支。
11/21
1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用 电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
12/21
1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎 明期。 ☞1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控 制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电 力领域的先河。 ☞20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学 工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传 动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变 电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在 这一时期，也应用直流发电机组来变流。 ☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了 电子技术的一场革命。
16/21
1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用 电力电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近 年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和电力学
电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电 子学和电力学的主要关系。“电力学”这个术语 在我国已不太应用，可用“电工科学”或“电气 工程”取代之。 各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静 止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、 电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中， 因此无论是国内国外，通常都把电力电子技术归 属于电气工程学科。电力电子技术是电气工程学 科中的一个最为活跃的分支。
11/21
1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用 电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
12/21
1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎 明期。 ☞1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控 制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电 力领域的先河。 ☞20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学 工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传 动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变 电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在 这一时期，也应用直流发电机组来变流。 ☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了 电子技术的一场革命。
16/21
1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用 电力电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近 年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。
电力电子技术第一章
热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电 流定额，并应留有一定的裕量。
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降 时间与延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。
通或者 关断的控制。
❖电压驱动型
----仅通过在控制端和公共端之间施加一定的
电压信号就可实现导通或者关断的控制。
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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降 时间与延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。
通或者 关断的控制。
❖电压驱动型
----仅通过在控制端和公共端之间施加一定的
电压信号就可实现导通或者关断的控制。
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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
电力电子技术概述 PPT课件
代化以巨大的推动力
1.1 什么是电力电子技术
电力电子技术与控制理论的关系
1) 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统 的性能满足各种需求
2) 电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电 和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带
3) 控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动 化技术的基础元件和重要支撑技术
➢ 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电 源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置
1.3 电力电子技术的应用
4) 电子装置用电源
➢ 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信 设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源， 现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需 的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电 源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由 于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了 线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电 源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。
➢ 电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和 驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。 一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠 变频器和斩波器驱动并控制
➢ 飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空 和航海都离不开电力电子技术
➢ 如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力 电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统， 而近年来交流变频调速已成为主流
1.3 电力电子技术的应用
➢ 传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来 兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可 再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中 太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更 是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制 约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲， 需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当
1.1 什么是电力电子技术
电力电子技术与控制理论的关系
1) 控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统 的性能满足各种需求
2) 电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电 和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带
3) 控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动 化技术的基础元件和重要支撑技术
➢ 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电 源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置
1.3 电力电子技术的应用
4) 电子装置用电源
➢ 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信 设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源， 现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需 的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电 源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由 于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了 线性电源。因为各种信息技术装置都需要电力电子装置提供电 源，所以可以说信息电子技术离不开电力电子技术。
➢ 电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和 驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。 一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠 变频器和斩波器驱动并控制
➢ 飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空 和航海都离不开电力电子技术
➢ 如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力 电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统， 而近年来交流变频调速已成为主流
1.3 电力电子技术的应用
➢ 传统的发电方式是火力发电、水力发电以及后来 兴起的核能发电。能源危机后，各种新能源、可 再生能源及新型发电方式越来越受到重视。其中 太阳能发电、风力发电的发展较快，燃料电池更 是备受关注。太阳能发电和风力发电受环境的制 约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲， 需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。当
2024版《电力电子技术》PPT课件
电力电子技术的定义与发展01020304定义晶闸管时代可控硅时代现代电力电子时代用于高压直流输电、无功补偿、有源滤波等，提高电力系统的稳定性和效率。
用于电动汽车、电动自行车、电梯等电机驱动系统，实现高效、节能的电机控制。
用于太阳能、风能等新能源发电系统，实现能源的高效利用和转换。
用于自动化生产线、机器人等工业设备，实现设备的精确控制和高效运行。
电力系统电机驱动新能源工业自动化数字化与智能化随着计算机技术和人工智能的发展，电力电子技术将实现数字化和智能化，提高系统的自适应能力和智能化水平。
高频化与高效化随着半导体材料和器件的发展，电力电子技术将实现更高频率和更高效率的电能转换。
绿色化与环保化随着环保意识的提高，电力电子技术将更加注重绿色、环保的设计理念，降低能耗和减少对环境的影响。
工作原理特点应用整流电路、续流电路等工作原理通过门极触发导通，无法自行关断特点耐压高、电流大、开关速度快应用直流电机调速、交流调压等工作原理特点应用工作原理特点应用逆变器、斩波器、电机驱动等工作原理特点应用工作原理开关速度快、耐压高、电流大、热稳定性好应用逆变器、斩波器、电机驱动等高端应用领域特点VS整流电路的作用整流电路的分类整流电路的工作原理整流电路的应用整流电路逆变电路逆变电路的作用逆变电路的分类逆变电路的工作原理逆变电路的应用直流-直流变流电路直流-直流变流电路的作用直流-直流变流电路的分类直流-直流变流电路的工作原理直流-直流变流电路的应用交流-交流变流电路交流-交流变流电路的作用交流-交流变流电路的工作原理A B C D交流-交流变流电路的分类交流-交流变流电路的应用电机驱动照明控制加热与焊接030201一般工业应用交通运输应用电动汽车驱动轨道交通牵引航空电源电力系统应用高压直流输电柔性交流输电通过电力电子技术可实现高压直流输电，减少输电损耗和占地面积。
智能电网风能发电通过电力电子技术可实现风能发电系统的变速恒频控制和并网运行。
电力电子技术1-4.ppt
史前期 （黎明期）
晶闸管问 世，(公元
元年)
全控型器件 迅速发展
晶体管诞生
1904
1930
1947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
电子管 问世
水银（汞 弧）整流 器时代
晶闸管时代
IGBT出现 功率集成器件
电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的
电力电子技术的发展史（续）
及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）
❖ 全控型器件： 通过控制极（门极或基极或柵极） 是否施加驱动信号既能控制管子导通又能控制管
子关断，如GTO、GTR、IGBT、 MOSFET及其它新
型场控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等
2020/4/9
1-38
➢ 按器件内部载流子参与导电的种类分类： ❖单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSFET、SIT等
2020/4/9
1-37
5、分类
➢ 按其开关控制性能分类：
❖ 不控型器件： 无控制极，器件的导通与关断完 全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏 置导通、反偏置关断，如电力二极管(D)
❖ 半控型器件： 控制极（门极）只能控制管子导 通而不能控制管子关断，器件的关断完全由其在
主电路中承受的电压和电流决定，如晶闸管(SCR)
1-43
2.2 电力（功率）二极管
一、工作原理（基本与普通二极管相同） ➢PN结：正向导通 反向截止
二、外形
2020/4/9
A
K A
a)
• 现代电力电子技术与传统电力电子技术相比较， 有如下特点：
➢高频化（减小体积、重量、静音） ➢模块化（器件、控制单元、系统） ➢全控型（IGBT为主） ➢控制技术数字化（DSP） ➢绿色化（节能、减少污染）
《电力电子技术》PPT第1章
《电力电子技术》PPT第1章
☆1.1电力电子的构成☆1.2电力电子发展简史☆1.3电力电子的应用领域第1章
绪论1.1电力电子的构成电力电子的英文是PowerElectronics，它是由电力（旋转电机、静止变换装置）、电
子（含电子器件和电子电路）以及控制（连续和离散）三种技术来支撑的。
图1-1电力电子技术的构成1.2电力电子发展简史随着科学技术的发展，电力电子已从真空管发展到晶体管、IC和LSI。
电力电子技术应用的范围也在不断扩大，其发展历程为（如图1-2
所示）：（1）水银整流器（2）晶闸管（3）大功率晶体管（4）智能化的模块（5）超高频、超大容量的高功能元件图1-2电力电子发展简史1.3电力电子的应用领域由于功率整流器、功率晶体管、晶闸管、GTO、IGBT等功率器件取得很大进展，故电力变换和控制的领域不断地扩大。
下面将重点介绍电力电子器件在工业企业和日常生活的应用领域。
如图1-4和图1-5所示。
图1-4
电力电子技术的应用领域。
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时 应按 有 效值相等 的 原则来选 取电流定 额，并应留有一定的裕量。
2）正向压降UF 在 规 定 结 温 下 ， 流过 指 定 的 稳 态正向电流 时的 正向管压降。
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反 向最高 峰值 电 压。使用时，应当留有裕量
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
按照驱动电路信号的性质可分为
电流驱动型 ——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或
者关断的控制。如晶闸管、GTO、GTR等 电压驱动型 ——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压
信号就可实现导通或者关断的控制。如IGBT等
按器件内部参与导电的载流子分 单极型器件，如场效应管(一种)；双极型器件，如
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
电力电子技术的任务
电能的变换 :包括频率变换、幅值变换、相 数变换、相位变换
常用的变换有： n 交流到直流的变换—整流 n 直流到交流的变换—逆变 n 直流到直流的变换 n 交流到交流的变换
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
电力半导体开关的发展
引燃管 闸流管
二极管 晶闸管
晶闸管(电子与空穴)；复合型器件，如IGBT
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
第一章 电力电子器件
§ 1-1 功率二极管
1. 结构：由一个PN结构成。A-阳极，K-阴极
A
PN
K
A
K
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
2. 特性 A 伏安特性：阳极电流与阳-阴极电压间的关系
iA
iA
uAK
uAK
实际特性
理想特性
电力电子学进行描
述的倒三角形
电力学
电力 电子学
连续、离散 控制 理论
电路 电子技术基础
电力电 子技术
电力、拖动、 自动控制系统
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
电力电子技术的应用
n 一般工业： 交直流电机、电化学、冶金工业
n 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海
n 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿
仅内部使用 郭小舟
电力电子技术 Power Electronics
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变 换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术
电力电子器件制造技术（基础是半导体物理） 电力电子技术的基础
电力电子器件应用技术（变流技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控 制的技术以及构成电力电子装置及系统的技术 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。
p
2
IT ( AV )
Im 2
p
从上式解出 Im I m 2 2 IT ( AV ) = 222.14 (A)
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仅内部使用 郭小舟
代入平均值计 算式，得 I d = 111.07 (A)
（5）通态平均电压：晶闸管通以 额定通态平均电 流时的管压降平均值。 （6）维持电流：维持晶闸管导通所需要的电小阳 极电流。
载 流子的 抽 出需要时间 ；当 PN 结反 向 恢复 时 因引线 电感而产生高的电压。
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仅内部使用 郭小舟
3. 二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流 ——在 指 定的管壳温度和散热条件下 允 许 流 过 的 最 大 工 频 正 弦 半 波 电流 的 平 均 值。
I F(AV) 是 按 照 电 流 的 发 热 效 应 来 定 义 的 ， 使 用
加负的脉冲电流使其关断。 开关频率不高，关断 增益 小。 GTO 的 电 压 、 电 流 容 量 较 大 ， 与 普 通 晶 闸 管 接
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较 的应用（如电力机车的主 电路）。
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1. GTO的 开通与关 断原理
GTO 是 一种 共 用 阳 极 门 极， 阴 极分 离 的 结 构 。 由 若干 小的 GTO 元 并 联 构成 。 GTO 元 与 晶闸 管一 样都是PNPN四层三端结 构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
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仅内部使用 郭小舟
A
R
2. 双三极管理论：晶闸 管 ＝ 两个三极管的复合体
+
+
Ua
Ug
GK
-
-
A
P1
N1
P2
N1
G
P2
N2
K
A T1
G Ug
T2 K
反 偏 时阻 断， 与 门极无关
正偏和有门极触 Ra 发电流时导通
Ea 触发导通
不 能 用 门 极电 流 关断
正向特性：
正向阻断状态：IG =0时，器件两端施加正向电压，
只有很小的正向漏电流。
正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增
大，器件开通。 随着门极电流幅值的 增大，正向转折电压降低。
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仅内部使用 郭小舟
iA
100% 90%
晶闸管的开关特性
10%
0 td
tr
t
u AK
I RM
O
t
t rr
压低 其它：传感器 (光敏、磁敏二极管)；
光源(红外、激光二极管)； 稳压(齐纳二极管、恒流二极管)
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仅内部使用 郭小舟
§1-2 普通晶闸管
1. 结构 由三个PN结构成，为四层三端结构。A-阳极，K-
阴极， G-门极。
GK
P2
N2
N1 P1
A
K
K G
G
A
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3.晶闸管的特性
伏安特性
b.正向伏安特性
IA 正向 导通
iA
IG2 IG1 IG=0
URSMURRM
IH
-
UA
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
雪崩 击穿
uAK 理想伏安特性
a.反向特性
-IA
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反向特性： 反向阻断时，只有极小的反相漏电流流过。 当 反 向 电 压 达 到 反 向 击 穿 电 压 后，可 能 导 致 晶 管发热损坏。
t
在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大 电流上升率越大，UFP越高
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关断特性
iF
di
F
dt
t
rr
UF
t
t
d
f
tF t0
t 1 t2
U
R
di
R
dt
I RP U RP
须 经 过 一 段 短 暂 的时 间才能重新获得反向 阻 断 能 力 ， 进 入 截止 t 状态。
关断之前有较大的反 向 电 流 出 现 ， 并 伴随 有 明 显 的 反 向 电 压过 冲。
n 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力
n 家用电器： “节能灯”、变频空调
n 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置
西南交通大学
仅内部使用 郭小舟
1）一般工业
轧钢机
电解铝
数控机床
冶金工业
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仅内部使用 郭小舟
2）交通运输
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3）电力系统
柔性交流输电FACTS
GTO
GTR
晶闸管 场效应管
IGBT
GTO
晶闸管 场效应管
1957
70年代中
80年代后
GTO GCT
晶闸管
IGBT IPM
场效应管
10
100 1K 10K 100K 1M
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仅内部使用 郭小舟
与相关学科的关系
电力电子学
电子学
(Power Electronics)
名称60年代出现
全世界普遍接受的对
（2）反向重复峰值电压（URRM）：其定义同UDRM， 其值为反向转折电压的80%。
（3）额定电压： 选U DRM和 U RRM中 较小的值作为额定 电压。 额定电压定义复杂。理 解为器件安全工作(不误导 通或击穿时能承受的最 大工作 电压。
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（ 4 ） 通态 平均 电流 ： 指 在 环境 温度 为 +40°C 和 定的 冷却 条 件 下 ， 元 件在电阻性 负 载 、 导电 角 不 小 于 170 度 的 单 相工频 正 弦半波整 流电 路中 ， 当 定结温不超过额定值时所允许 的最大平均 电流。
（7）断态电压临界上升率：在额 定结温和门极断 路条件下，使元件从断态转入 通态时的最低电压上 升率。
（8）通态电流临界上升率：晶闸管触发导通时不 致使元件损坏的通态电流最大上升率。
（9）门极触发电压、门极 触发电流
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§ 1-3 门极关断晶闸管(GTO) GTO的特点
晶闸管的一种派生器件； 多元功 率集成器件。 可 以 通 过 在 门 极 施加 正 的 脉 冲 电流 使 其导 通 ；
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仅内部使用 郭小舟
导通条件：晶闸管承受正向电压，同时门极有触 发电流时，晶闸管导通。
维持 导通 条 件 ： 流过 晶闸 管的电流大 于 维持 电 流。
关 断条件：晶闸管承受正向电压。 或流过晶闸管的电流小于维持 电流。
这 三个条件是 晶闸管电路分析的基础。
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IT =
1p
2
2）正向压降UF 在 规 定 结 温 下 ， 流过 指 定 的 稳 态正向电流 时的 正向管压降。
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3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反 向最高 峰值 电 压。使用时，应当留有裕量
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按照驱动电路信号的性质可分为
电流驱动型 ——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或
者关断的控制。如晶闸管、GTO、GTR等 电压驱动型 ——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压
信号就可实现导通或者关断的控制。如IGBT等
按器件内部参与导电的载流子分 单极型器件，如场效应管(一种)；双极型器件，如
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电力电子技术的任务
电能的变换 :包括频率变换、幅值变换、相 数变换、相位变换
常用的变换有： n 交流到直流的变换—整流 n 直流到交流的变换—逆变 n 直流到直流的变换 n 交流到交流的变换
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引燃管 闸流管
二极管 晶闸管
晶闸管(电子与空穴)；复合型器件，如IGBT
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第一章 电力电子器件
§ 1-1 功率二极管
1. 结构：由一个PN结构成。A-阳极，K-阴极
A
PN
K
A
K
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2. 特性 A 伏安特性：阳极电流与阳-阴极电压间的关系
iA
iA
uAK
uAK
实际特性
理想特性
电力电子学进行描
述的倒三角形
电力学
电力 电子学
连续、离散 控制 理论
电路 电子技术基础
电力电 子技术
电力、拖动、 自动控制系统
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电力电子技术的应用
n 一般工业： 交直流电机、电化学、冶金工业
n 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海
n 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿
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电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变 换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术
电力电子器件制造技术（基础是半导体物理） 电力电子技术的基础
电力电子器件应用技术（变流技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控 制的技术以及构成电力电子装置及系统的技术 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。
p
2
IT ( AV )
Im 2
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从上式解出 Im I m 2 2 IT ( AV ) = 222.14 (A)
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代入平均值计 算式，得 I d = 111.07 (A)
（5）通态平均电压：晶闸管通以 额定通态平均电 流时的管压降平均值。 （6）维持电流：维持晶闸管导通所需要的电小阳 极电流。
载 流子的 抽 出需要时间 ；当 PN 结反 向 恢复 时 因引线 电感而产生高的电压。
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3. 二极管的主要参数
1) 正向平均电流IF(AV)
额定电流 ——在 指 定的管壳温度和散热条件下 允 许 流 过 的 最 大 工 频 正 弦 半 波 电流 的 平 均 值。
I F(AV) 是 按 照 电 流 的 发 热 效 应 来 定 义 的 ， 使 用
加负的脉冲电流使其关断。 开关频率不高，关断 增益 小。 GTO 的 电 压 、 电 流 容 量 较 大 ， 与 普 通 晶 闸 管 接
近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较 的应用（如电力机车的主 电路）。
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1. GTO的 开通与关 断原理
GTO 是 一种 共 用 阳 极 门 极， 阴 极分 离 的 结 构 。 由 若干 小的 GTO 元 并 联 构成 。 GTO 元 与 晶闸 管一 样都是PNPN四层三端结 构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
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2. 双三极管理论：晶闸 管 ＝ 两个三极管的复合体
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反 偏 时阻 断， 与 门极无关
正偏和有门极触 Ra 发电流时导通
Ea 触发导通
不 能 用 门 极电 流 关断
正向特性：
正向阻断状态：IG =0时，器件两端施加正向电压，
只有很小的正向漏电流。
正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增
大，器件开通。 随着门极电流幅值的 增大，正向转折电压降低。
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iA
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晶闸管的开关特性
10%
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压低 其它：传感器 (光敏、磁敏二极管)；
光源(红外、激光二极管)； 稳压(齐纳二极管、恒流二极管)
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§1-2 普通晶闸管
1. 结构 由三个PN结构成，为四层三端结构。A-阳极，K-
阴极， G-门极。
GK
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N1 P1
A
K
K G
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3.晶闸管的特性
伏安特性
b.正向伏安特性
IA 正向 导通
iA
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雪崩 击穿
uAK 理想伏安特性
a.反向特性
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反向特性： 反向阻断时，只有极小的反相漏电流流过。 当 反 向 电 压 达 到 反 向 击 穿 电 压 后，可 能 导 致 晶 管发热损坏。
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在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大 电流上升率越大，UFP越高
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关断特性
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须 经 过 一 段 短 暂 的时 间才能重新获得反向 阻 断 能 力 ， 进 入 截止 t 状态。
关断之前有较大的反 向 电 流 出 现 ， 并 伴随 有 明 显 的 反 向 电 压过 冲。
n 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力
n 家用电器： “节能灯”、变频空调
n 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置
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1）一般工业
轧钢机
电解铝
数控机床
冶金工业
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2）交通运输
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3）电力系统
柔性交流输电FACTS
GTO
GTR
晶闸管 场效应管
IGBT
GTO
晶闸管 场效应管
1957
70年代中
80年代后
GTO GCT
晶闸管
IGBT IPM
场效应管
10
100 1K 10K 100K 1M
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与相关学科的关系
电力电子学
电子学
(Power Electronics)
名称60年代出现
全世界普遍接受的对
（2）反向重复峰值电压（URRM）：其定义同UDRM， 其值为反向转折电压的80%。
（3）额定电压： 选U DRM和 U RRM中 较小的值作为额定 电压。 额定电压定义复杂。理 解为器件安全工作(不误导 通或击穿时能承受的最 大工作 电压。
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（ 4 ） 通态 平均 电流 ： 指 在 环境 温度 为 +40°C 和 定的 冷却 条 件 下 ， 元 件在电阻性 负 载 、 导电 角 不 小 于 170 度 的 单 相工频 正 弦半波整 流电 路中 ， 当 定结温不超过额定值时所允许 的最大平均 电流。
（7）断态电压临界上升率：在额 定结温和门极断 路条件下，使元件从断态转入 通态时的最低电压上 升率。
（8）通态电流临界上升率：晶闸管触发导通时不 致使元件损坏的通态电流最大上升率。
（9）门极触发电压、门极 触发电流
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§ 1-3 门极关断晶闸管(GTO) GTO的特点
晶闸管的一种派生器件； 多元功 率集成器件。 可 以 通 过 在 门 极 施加 正 的 脉 冲 电流 使 其导 通 ；
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导通条件：晶闸管承受正向电压，同时门极有触 发电流时，晶闸管导通。
维持 导通 条 件 ： 流过 晶闸 管的电流大 于 维持 电 流。
关 断条件：晶闸管承受正向电压。 或流过晶闸管的电流小于维持 电流。
这 三个条件是 晶闸管电路分析的基础。
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